La dirección de desarrollo de la tecnología de suministro de energía conmutada, detalles
Desde la década de 1980, el desarrollo y la investigación de tecnologías de conmutación suave y de alta frecuencia han permitido que los convertidores de potencia tengan un mejor rendimiento, un peso más ligero y un tamaño más pequeño. La tecnología de conmutación suave y de alta frecuencia ha sido uno de los temas candentes en la comunidad internacional de electrónica de potencia en los últimos 20 años. El rumbo que tomará la dirección de desarrollo de las fuentes de alimentación conmutadas en los próximos cinco años es la clave para explorar el desarrollo de la industria.
Cuando apareció por primera vez el IGBT, los valores nominales de voltaje y corriente eran solo de 600 V y 25 A. Durante mucho tiempo, el nivel de voltaje soportado se limitó a 1200 V ~ 1700 V. Después de un largo período de exploración, investigación y mejora, los valores nominales de voltaje y corriente de los IGBT ahora han alcanzado 3300 V/1200 A y 4500 V/1800 A respectivamente, y los de alta potencia. El voltaje soportado de un solo chip del IGBT ha alcanzado los 6500 V, el límite superior de la frecuencia de funcionamiento del IGBT general es de 20 kHz ~ 40 kHz. Los IGBT basados en la estructura de perforación (PT) y que aplican nuevas tecnologías pueden funcionar a 150 kHz (conmutación dura) y 300 kHz (conmutación suave). El progreso tecnológico de GBT es en realidad un compromiso entre caída de voltaje en estado activo, conmutación rápida y capacidad de alto voltaje soportado. Con diferentes procesos y formas estructurales, IGBT tiene los siguientes tipos durante sus 20 años de historia de desarrollo: tipo perforado (PT), tipo sin perforación (NPT), tipo perforado suave (SPT), tipo de zanja y tipo de corte de campo eléctrico (FS). El carburo de silicio SiC es un material ideal para obleas de dispositivos semiconductores de potencia. Sus ventajas son: ancho de banda prohibido, alta temperatura de funcionamiento (hasta 600 °C), buena estabilidad térmica, pequeña resistencia en estado encendido, buena conductividad térmica, corriente de fuga extremadamente pequeña. Unión PN La resistencia de alto voltaje, etc., favorece la fabricación de dispositivos semiconductores de alta frecuencia y alta potencia que pueden soportar altas temperaturas.
Mejorar la densidad de potencia de las fuentes de alimentación conmutadas y hacerlas más pequeñas y ligeras son los objetivos que la gente se esfuerza constantemente por perseguir. La alta frecuencia del suministro de energía es uno de los temas candentes en la comunidad internacional de electrónica de potencia. La miniaturización y reducción de peso de las fuentes de alimentación son particularmente importantes para los dispositivos electrónicos portátiles (como teléfonos móviles, cámaras digitales, etc.). Los métodos específicos para miniaturizar las fuentes de alimentación conmutadas incluyen: Primero, utilizar transformadores piezoeléctricos. La aplicación de transformadores piezoeléctricos puede permitir que los convertidores de potencia de alta frecuencia sean livianos, pequeños, delgados y tengan una alta densidad de potencia. Los transformadores piezoeléctricos utilizan las propiedades únicas de conversión de "voltaje-vibración" y "vibración-voltaje" de los materiales cerámicos piezoeléctricos para transmitir energía. Su circuito equivalente es como un circuito resonante en serie-paralelo, que es uno de los puntos críticos de investigación en el campo de. conversión de energía. El segundo es la alta frecuencia. Para lograr una alta densidad de potencia de la fuente de alimentación, se debe aumentar la frecuencia de funcionamiento del convertidor PWM para reducir el volumen y el peso de los componentes de almacenamiento de energía en el circuito.
En los sistemas de energía se utiliza una gran cantidad de componentes magnéticos. Los materiales, estructuras y propiedades de los componentes magnéticos de alta frecuencia son diferentes de los componentes magnéticos de frecuencia eléctrica. Hay muchas cuestiones que deben estudiarse. Los materiales magnéticos utilizados en componentes magnéticos de alta frecuencia tienen los siguientes requisitos: bajas pérdidas, buen rendimiento de disipación de calor y propiedades magnéticas superiores. Los materiales magnéticos adecuados para frecuencias de megahercios han atraído la atención de la gente y también se han desarrollado y aplicado materiales magnéticos blandos nanocristalinos. Para los convertidores de conmutación suave con baja tensión y alta salida de corriente, una medida para mejorar aún más su eficiencia es tratar de reducir la pérdida en estado de encendido del interruptor. Por ejemplo, la tecnología SR de rectificación síncrona utiliza tubos MOS de potencia conectados de forma inversa como diodos de conmutación para la rectificación en lugar de diodos Schottky (SBD), lo que puede reducir la caída de voltaje del tubo y, por lo tanto, mejorar la eficiencia del circuito.
El sistema de suministro de energía distribuida es adecuado para su uso como fuente de alimentación para estaciones de trabajo a gran escala (como estaciones de procesamiento de imágenes) y sistemas de conmutación electrónica digital a gran escala compuestos por circuitos integrados de velocidad ultraalta. Sus ventajas son: puede realizar componentes de convertidor CC/CC modulares; fácil de lograr redundancia de energía N+1, fácil de expandir la capacidad de carga; puede reducir la caída de corriente y voltaje en el bus de 48 V; fácil de lograr una distribución uniforme del calor y facilitar el calor; diseño de disipación; buena respuesta transitoria; los módulos fallidos se pueden reemplazar en línea. Actualmente existen dos tipos estructurales de sistemas de energía distribuida, uno es una estructura de dos niveles y el otro es una estructura de tres niveles.
Dado que el extremo de entrada del circuito de conversión CA/CC tiene componentes rectificadores y condensadores de filtro, cuando se introduce voltaje sinusoidal, el factor de potencia del equipo electrónico alimentado por una fuente de alimentación rectificada monofásica en el lado de la red (extremo de entrada de CA) es solo 0,6 ~0,65. Usando un convertidor PFC (corrección del factor de potencia), el factor de potencia del lado de la red se puede aumentar a 0,95 ~ 0,99 y la THD de la corriente de entrada es inferior al 10 %. No sólo controla la contaminación armónica de la red eléctrica, sino que también mejora la eficiencia general del suministro eléctrico. Esta tecnología se llama APFC de corrección activa del factor de potencia. Se desarrolló anteriormente en el país y en el extranjero, y la tecnología es relativamente madura. Aunque existen muchos tipos de topología y estrategias de control para APFC trifásico, todavía es necesario hacerlo de forma continua. investigado y desarrollado.
El control del suministro de energía ha pasado del control analógico al control híbrido analógico-digital y ha entrado en la etapa de control digital total. El control digital total es una nueva tendencia de desarrollo y se ha aplicado en muchos equipos de conversión de energía. Pero el control digital se ha utilizado menos en los convertidores CC/CC en el pasado. En los últimos dos años, se han desarrollado chips de control totalmente digitales de alto rendimiento para fuentes de alimentación y el costo se ha reducido a un nivel más razonable. Muchas empresas en Europa y Estados Unidos han desarrollado y fabricado chips y software de control digital para. convertidores de conmutación. Las ventajas del control digital total son: en comparación con las señales mixtas analógicas y digitales, las señales digitales se pueden calibrar en cantidades más pequeñas y el precio del chip también es más económico, los errores de detección de corriente se pueden corregir digitalmente con precisión y la detección de voltaje también es más precisa; Diseño de control rápido y flexible.
El modelado, la simulación y el CAD son nuevas herramientas de diseño. Para simular el sistema de energía, primero debemos establecer un modelo de simulación, que incluya dispositivos electrónicos de potencia, circuitos convertidores, circuitos de control digitales y analógicos, componentes magnéticos y modelos de distribución de campos magnéticos, etc., y también considerar el modelo térmico, el modelo de confiabilidad. y modelo EMC del tubo de conmutación. Varios modelos varían mucho y la dirección de desarrollo del modelado es: modelado híbrido digital-analógico, modelado jerárquico híbrido y combinación de varios modelos en un modelo unificado de múltiples niveles.
CAD del sistema de suministro de energía, incluido el diseño del circuito principal y del circuito de control, selección de dispositivos, optimización de parámetros, diseño magnético, diseño térmico, diseño EMI y diseño de placas de circuito impreso, estimación de confiabilidad, asistencia informática Diseño integral y optimizado , etc. El uso de sistemas expertos basados en simulación para CAD de sistemas de suministro de energía puede optimizar el rendimiento del sistema diseñado, reducir los costos de diseño y fabricación y permitir el análisis de la capacidad de fabricación. Es una de las direcciones de desarrollo de la tecnología de simulación y CAD en el siglo XXI. Además, también se debe desarrollar vigorosamente el desarrollo, la investigación y la aplicación de tecnologías como las pruebas térmicas, las pruebas EMI y las pruebas de confiabilidad de los sistemas de suministro de energía.
En resumen, cómo captar la dirección del desarrollo del suministro de energía en la nueva era y cómo lograr aún más el desarrollo de la tecnología de suministro de energía. La integración de los sistemas de energía será una cuestión clave que debe resolverse con urgencia en la actual comunidad internacional de electrónica de potencia.